JP6329926B2 - Turbulent jet ignition precombustion chamber combustion system for spark ignition engines - Google Patents
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Description
(関連出願の相互参照)
本願は、2011年11月1日に出願され、名称が「火花点火エンジンのための乱流噴流点火予燃室の燃焼システム」であって、シリアル番号が13/286,638である米国の一部継続出願であり、2010年11月1日に出願され、名称が「火花点火エンジンのための乱流噴流点火予燃室の燃焼システム」であって、シリアル番号が61/408,892である米国仮特許出願の利益を主張する。
(Cross-reference of related applications)
This application is filed on November 1, 2011, and is named “Combustion System in Turbulent Jet Ignition Precombustion Chamber for Spark Ignition Engines” and has a serial number of 13 / 286,638 in the United States. Continuation application, filed on November 1, 2010, with the name "Combustion system of turbulent jet ignition pre-combustion chamber for spark ignition engine" and serial number 61 / 408,892 Claim the benefit of US provisional patent applications.
(技術分野)
本発明は、概して、点火システムに関し、より詳細には、内燃機関のための点火システムに関する。該内燃機関は、インジェクタを有する少なくとも1個の燃焼室と、点火装置と、少量の供給燃料を点火するように使用され得る予燃室とを有し、前記少量の供給燃料は、その後、前記内燃機関の主燃焼室内で、主供給空燃混合気を点火するように使用される。
(Technical field)
The present invention relates generally to ignition systems, and more particularly to ignition systems for internal combustion engines. The internal combustion engine has at least one combustion chamber having an injector, an igniter, and a pre-combustion chamber that can be used to ignite a small amount of supply fuel, which is then Used to ignite the main supply air / fuel mixture in the main combustion chamber of the internal combustion engine.
関連する技術分野で公知の内燃機関は、一般に、数ある基本構成部品の中で、1または複数個のシリンダを有するエンジンブロックと、前記エンジンブロックと関連付けられるシリンダヘッドと、往復運動のために各シリンダ内に支持されるピストンとを含む。前記ピストンは、一般に、クランクシャフトを順に回転させる接続ロッドに接続される。概して、燃料は前記シリンダ内で点火されて、前記ピストンを往復運動させる。前記ピストンは前記接続ロッドを駆動し、前記接続ロッドはクランクシャフトを駆動し、その結果、クランクシャフトは前記エンジンブロック内で回転する。 An internal combustion engine known in the related art generally includes, among other basic components, an engine block having one or more cylinders, a cylinder head associated with the engine block, and each for reciprocal motion. A piston supported in the cylinder. The piston is generally connected to a connecting rod that in turn rotates the crankshaft. Generally, fuel is ignited in the cylinder, causing the piston to reciprocate. The piston drives the connecting rod, and the connecting rod drives a crankshaft, so that the crankshaft rotates within the engine block.
このような標準的な構成に加えて、予燃室を使用することも知られていて、該予燃室では、少量の供給燃料が点火されて、前記主燃焼室内で前記主供給燃料を点火するように使用される。長年に亘って、関連する技術分野において、数多くの異なる予燃室の設計および構成が提案された。しかしながら、予燃室を有する内燃機関は、自動車産業において、市場で広く受け入れられなかった。その理由は、典型的には、内燃機関には高コストおよび複雑性の問題があり、燃費が向上せず、または汚染物が顕著に低減されなかったことにより、増加されるコストが正当化できない場合があったからである。 In addition to such a standard configuration, it is also known to use a pre-combustion chamber, in which a small amount of fuel is ignited and the main fuel is ignited in the main combustion chamber. Used to be. Over the years, many different precombustion chamber designs and configurations have been proposed in the relevant technical field. However, internal combustion engines with a pre-combustion chamber have not been widely accepted in the market in the automotive industry. The reason is that internal combustion engines typically have high cost and complexity issues, and fuel costs are not improved or contaminants have not been significantly reduced, so the increased cost cannot be justified. Because there was a case.
そのため、内燃機関のための点火システムの技術分野においては、燃費を改善し、燃焼生成物によって生じる汚染物を低減する要求、および過度に複雑でなく、製造するのに費用対効果を高くする要求があった。 Therefore, in the technical field of ignition systems for internal combustion engines, there is a need to improve fuel economy, reduce pollutants caused by combustion products, and to be cost-effective to manufacture without being overly complex. was there.
本発明は、関連する技術分野における、少なくとも1個の燃焼室を有する内燃機関のための点火システムの欠点を克服する。前記点火システムは、前記内燃機関の前記シリンダヘッド内で区画されるハウジングを含む。前記ハウジングは予燃室を区画する。点火装置は前記ハウジング内で支持される。前記点火装置は前記予燃室に実質的に面するイグナイター部を有する。インジェクタは前記ハウジング内で支持される。前記インジェクタは前記予燃室に実質的に面するノズルを有する。前記予燃室は基端部を区画し、予燃室ノズルは遠方に配置され、かつ前記予燃室の基端部から間隔を空けられる。前記予燃室ノズルは複数個のオリフィスを含み、該オリフィスは0.7mm〜2.0mmの範囲の直径を有し、互いに間隔を空けて配置され、前記予燃室と前記燃焼室との間を流体連通する。前記点火装置のイグナイター部および前記インジェクタのノズルは、前記インジェクタが所定量の前記燃料を前記予燃室内に運搬し、前記イグナイター部が前記予燃室内で前記燃料を点火し、これにより、一部が燃焼された予燃室生成物は前記予燃室の前記オリフィスを通って押し出されて消火されるが、該燃焼された予燃室生成物が、前記主燃焼室を通って分散し、前記主燃焼室内の主供給燃料を点火するように、前記予燃室の前記基端部に操作可能に支持される。 The present invention overcomes the shortcomings of ignition systems for internal combustion engines having at least one combustion chamber in the related art. The ignition system includes a housing that is defined within the cylinder head of the internal combustion engine. The housing defines a precombustion chamber. The ignition device is supported in the housing. The ignition device has an igniter portion substantially facing the pre-combustion chamber. The injector is supported in the housing. The injector has a nozzle that substantially faces the precombustion chamber. The pre-combustion chamber defines a base end portion, and the pre-combustion chamber nozzle is disposed at a distance, and is spaced from the base end portion of the pre-combustion chamber. The pre-combustion chamber nozzle includes a plurality of orifices, the orifices having a diameter in the range of 0.7 mm to 2.0 mm, and spaced apart from each other, between the pre-combustion chamber and the combustion chamber. In fluid communication. The igniter portion of the ignition device and the nozzle of the injector are configured such that the injector carries a predetermined amount of the fuel into the pre-combustion chamber, and the igniter portion ignites the fuel in the pre-combustion chamber. Is burned out through the orifice of the pre-combustion chamber and extinguished, but the combusted pre-combustion chamber product is dispersed through the main combustion chamber and the to ignite the main fuel supply of the main combustion chamber is operably supported on the base end portion of said pre-chamber.
一実施形態では、本発明の乱流墳流点火予燃室の燃焼システムは、小さく維持されたオリフィス直径を用い、前記燃焼生成物が前記予燃室から出て前記主燃焼室に入るときに消炎を促進する。そして、前記燃焼生成物は前記主供給燃料と反応し、主燃焼室内において、化学、熱および乱流効果によって前記予燃室ノズルからある程度の距離だけ離間した複数の場所で燃焼を開始する。このようにして、本発明の点火システムは、ワイドオープンスロットル(WOT)でピーク時の熱効率の高さ(45%を上回る)を可能にするとともに、高駆動サイクル(部分負荷)での燃費を向上でき、燃費の向上は、最適化されたエンジン内にある基準となる従来の火花点火システムを最大30%上回るまでに達することができる。これらのエンジン性能の向上は、燃焼の改善、熱損失の低減、低燃焼温度のために解離がほとんど生じないこと、および部分負荷でのエンジンスロットルの低減の組み合わせによる。さらに、従来の火花点火燃焼システムと比べると、本発明の点火システムは、エンジンから排気されるNOx排気物をほぼゼロにできる低温燃焼を容易にする一方で、先述の予燃室燃焼での、ピーク時の性能(BMEP:正味平均有効圧)の低下および制御不能な炭化水素(HC)および一酸化炭素(CO)排気物の障害を克服する。そのため、本発明の点火システムは、現在および将来の排出ガス規制を満たすように、従来の乗用車(酸化および三元触媒)で見られる既存の排気物制御システムを備えるエンジン内で利用され得る。最後に、本発明の点火システムは、炭素系燃料を用いた基本となるエンジンのハードウェアの改変を要さずに、あらゆる火花点火エンジン(生産前および生産後)で機能できる「ボルト留め」固定も提供する。 In one embodiment, the turbulent turbulent-ignition precombustion chamber combustion system of the present invention uses a small maintained orifice diameter when the combustion product exits the precombustion chamber and enters the main combustion chamber. Promotes extinguishing. The combustion product reacts with the main supply fuel, and starts combustion in the main combustion chamber at a plurality of locations separated from the precombustion chamber nozzle by a certain distance due to chemical, heat, and turbulent flow effects. In this way, the ignition system of the present invention enables high peak thermal efficiency (greater than 45%) with wide open throttle (WOT) and improved fuel efficiency in high drive cycles (partial load). Yes, fuel efficiency improvements can reach up to 30% over standard conventional spark ignition systems in an optimized engine. These improvements in engine performance are due to a combination of improved combustion, reduced heat loss, little dissociation due to low combustion temperatures, and reduced engine throttle at part load. Furthermore, compared with the conventional spark ignition combustion system, the ignition system of the present invention facilitates low temperature combustion that can substantially reduce NOx exhaust discharged from the engine, while the above-described precombustion chamber combustion is performed. Overcoming the decline in peak performance (BMEP: net mean effective pressure) and obstacles to uncontrollable hydrocarbon (HC) and carbon monoxide (CO) emissions. As such, the ignition system of the present invention can be utilized in engines with existing exhaust control systems found in conventional passenger cars (oxidation and three-way catalysts) to meet current and future emission regulations. Finally, the ignition system of the present invention is “bolted” fixed that can function in any spark ignition engine (before and after production) without requiring modification of the basic engine hardware using carbon-based fuels. Also provide.
添付の図面とともに以下の説明を読むと、本発明の他の目的、特徴および利点はより理解できるようになるので、これらは容易に理解されるであろう。 These and other objects, features and advantages of the present invention will become more readily understood when the following description is read in conjunction with the accompanying drawings, and will be readily understood.
本発明は、関連する技術分野における、図1〜6中で概して10で示される点火システムの欠点を克服する。ここで、同様な参照番号は、図面を通して同様な構造を示すのに用いられる。図1に示されるように、本発明は、概して12で示される内燃機関での使用に特に適合する。この場合、本発明の点火システム10は、内燃機関12の単一のシリンダ14に接続されて示される。当業者であれば、図1に示されるエンジン12は、本発明が使用されることができる内燃機関の多くの構成の中の一つに過ぎないことを理解するであろう。例えば、本発明は、2ストロークまたは4ストロークエンジン内で使用されることができる。さらに、点火システム10は、多気筒エンジン内で用いられることもでき、該エンジン内では、シリンダは、列をなして、V形状に、または平坦な方法で、あるいは当該技術分野で一般に知られる何らかの他の方法で配置されることができる。本発明は、主燃焼室への供給空燃混合気のポートまたは直噴インジェクタのいずれかを有する気化器または燃料注入内燃機関とともに使用されることもできる。
The present invention overcomes the shortcomings of the ignition system, generally indicated at 10 in FIGS. Here, like reference numerals are used to denote like structures throughout the drawings. As shown in FIG. 1, the present invention is particularly adapted for use in an internal combustion engine, generally designated 12. In this case, the
続いて図1を参照すると、内燃機関12は、1または複数個のシリンダ14を含むエンジンブロック16、および前記エンジンブロック16と関連付けられ、概して18で示されるシリンダヘッドを含む。概して20で示されるピストンは、繰り返しの往復運動のためにシリンダ14内に支持される。ピストン20、シリンダ14、およびシリンダヘッド18は共に協同して、燃焼室22を区画する。概して24で示される接続ロッドは、ピストンピン26によってピストン20に固定される。クランクシャフト28は接続ロッド24と関連付けられ、オイルパン30はエンジンブロック16と関連付けられる。シリンダヘッド18は吸気マニホールド32および排気マニホールド34を区画する。少なくとも1個の吸気ポート36が吸気マニホールド32内で区画され、少なくとも1個の排気ポート38が排気マニホールド34内で区画される。吸気および排気ポート36、38は、カムによって駆動されるバルブ(図示しない)によって開閉され、シリンダ14と吸気マニホールド32との間、およびシリンダ14と排気マニホールド34との間をそれぞれ流体連通する。燃焼室の上面視で図5に例示されるように、一実施形態では、内燃機関12は、2個の吸気ポート36および2個の排気ポート38を含むことができる。しかしながら、当業者であれば、内燃機関10は、あらゆる数の吸気および排気ポートを含むことができることを理解するであろう。さらに、図1に例示される実施形態において、内燃機関12は、吸気ポート36を通じて、燃焼室22内に主供給燃料/空気を導入する手段として、吸気マニホールド32内に据え付けられる燃料インジェクタ40も含む。同様に、燃焼生成物は、排気ポート38を通って、燃焼室22を出る。当業者であれば、エンジン12が、主供給燃料を燃焼室22内に直噴注入するインジェクタを採用し得ることを理解するであろう。同様に、エンジン12は、当該技術分野で一般に知られ、ここでは詳細に説明されない多数の他の既存部品も含むことができる。
With continued reference to FIG. 1, the
概して、燃料/空気混合物は、吸気ポート36を介して燃焼室22内に導入される。これは、主供給燃料を構成する。前記燃料は、シリンダ14の燃焼室22内で点火されて、以下にさらに詳細に説明されるように、ピストン20を往復運動させる。ピストン20は、クランクシャフト28を駆動する接続ロッド24を駆動し、該クランクシャフトをエンジンブロック16内で回転させる。詳細には、シリンダ14内の燃焼圧によって、ピストン20は実質的に直線運動で下方に駆動される。一方で、クランクシャフト28の動きによって、接続ロッド24は実質的に回転運動で駆動される。クランクシャフト28からのトルクは、当該技術分野で一般に知られるように、何らかの他の部品または関連するシステムを駆動するように利用されることができる。
Generally, the fuel / air mixture is introduced into the combustion chamber 22 via the
ここで、図2〜6を参照すると、本発明の点火システム10は、概して42で示されるハウジングを含み、該ハウジングは、内燃機関12のシリンダヘッド18内で区画される。一実施形態では、ハウジング42は、前記内燃機関のシリンダヘッド18内に操作可能に支持される別体の部品である。しかしながら、当業者であれば、ハウジング42は、シリンダヘッド18の一体部分内で実質的に区画され、該一体部分を形成することができることを理解するであろう。いずれであっても、これらの図面で例示される実施形態では、シリンダヘッド18は、以下により詳細に説明されるように、ハウジング42がシリンダヘッド18に封止により係合されるような方法でハウジング42を受けるポート44(図1)を含むことができる。さらに、以下により詳細に説明されるように、ポート44は、従来、該ポートが従来内燃機関12内で標準的な点火プラグを受けていたような実質的な大きさおよび位置にすることができる。この特徴により、本発明の点火システム10を用いて既存のエンジンを改造することが容易になる。図3に最適に示されるように、ハウジング42は、点火プラグ空洞部46、インジェクタ空洞部48、および予燃室50を区画する。これらの部品のそれぞれおよび点火システム10の他の部品とのそれらの相互関係は、以下により詳細に説明されるであろう。
Referring now to FIGS. 2-6, the
ハウジング42は、実質的な円筒部52も含み、該円筒部は、円筒部52の周囲に配置される環状溝54を有する。図4に最適に示されるように、Oリングシール56は、溝54内に動作可能に受けられ、シリンダヘッド18を封止係合するのに適する。さらに、ハウジング42は、円錐台形状部58も含み、該円錐台形状部は、それらの上に形成される平坦部60を有する(図2)。平坦部60は、シリンダヘッド18上に形成される対応する表面と協同して、シリンダヘッド18に対してハウジング42を安定化し固定を補助する(図4)。円錐台形状部58は、ショルダー62で終了する。該ショルダーは、シリンダヘッド18上で区画されるショルダー64と並設される。シリンダヘッド18内で点火システム10を封止するために、これら2個のショルダー62、64の間にシーリングワッシャ66が用いられることもできる。ハウジング42は、概して68で示される終端部も含み、該終端部は、雄ねじ70および雌ねじ72を含む。雄ねじ70は、シリンダヘッド18上に形成されるねじ山74と協同して、シリンダヘッド内にハウジング42を据え付ける。当業者であれば、前記点火システムは、シリンダヘッド18内に前記点火システムを確実に据え付けるために必要な何らかの他の好適な封止および固定機構を含むことができることを理解するであろう。
The housing 42 also includes a substantially
予燃室50は、基端部76および概して78で示される予燃室ノズルを区画し、該予燃室ノズルは、予燃室50の基端部76から間隔を空けて配置される。図4に最適に示されるように、予燃室50は、円錐台形状の側壁80を含み、該側壁は、基端部76から予燃室ノズル78まで実質的に延在し、前記予燃室の所定の容積を区画する。予燃室ノズル78は、長手方向軸Aを規定し、複数個のオリフィス82を含む。該オリフィスは、互いに間隔を空けて配置され、予燃室50と燃焼室2との間を流体連通する。一実施形態では、オリフィス82は、0.7mm〜2.0mmの範囲の直径を有し、互いに対して所定間隔で長手方向軸A周りに配置される。さらに、一実施形態では、前記予燃室容積に対する前記オリフィス直径の比は、理想的には、0.048 1/cm2〜0.067 1/cm2である。前記主燃焼室への激しい乱流噴流の有効な導入を保証するために、この比は、これに比例して最適に最小および最大となる部品の大きさを提供する。この有効な導入は、前記主燃焼室内での激しい乱流噴流から生じる点火ポイントの最適な乱れを順に保証するので、有効かつ最適な燃焼現象が生じる。これは、以下にさらに詳しく説明される。予燃室ノズル78は実質的にカップ形状であり、雄ねじ68を含む。該雄ねじは、ハウジング42の終端部68上で雌ねじ72と協同して、ノズル78を該終端部に接するように据え付ける。
The
点火システム10は、概して86で示される点火装置も含み、該点火装置は、点火プラグ空洞部46内に操作可能に受けられる。点火装置86は、予燃室50に実質的に面するイグナイター部88を含む。同様に、インジェクタ90は、インジェクタ空洞部48内に操作可能に受けられる。インジェクタ90は、予燃室50に実質的に面するノズル92を有する。点火システム10は、冷却チューブ94も含み(図2)、該冷却チューブは、冷却流体源とハウジング42との間を流体連通する。前記冷却流体は、空気、水、またはこの目的に適した何らかの他の流体のいずれかにすることができる。しかしながら、当業者であれば、冷却チューブ94および冷却流体の供給は任意であることを理解するであろう。さらに、本発明の点火システム10は、直噴式の据付スリーブ96を用いることもでき(図2)、該スリーブは、インジェクタ90を囲み、シリンダヘッド19内に形成されるポート44内でこの部品を固定する。
一実施形態では、点火装置86のイグナイター部88およびインジェクタ90のノズル92は、インジェクタ90が予燃室50内に所定量の燃料を運搬するように、予燃室50の基端部に操作可能に支持されるとともに、同一面上に配置される。イグナイター部88は、予燃室50内で前記燃料を点火する。一旦点火されると、炎が消火されるように、前記燃料は予燃室ノズル78のオリフィス82を通って押し出される。消火された場合であっても、この予燃室の生成物は、燃焼室22を通って分散され、該燃焼室内の主供給燃料を点火する。
In one embodiment, the
本発明の点火システム10を用いた点火シーケンスが図7に例示される。前記点火シーケンスは、予燃室燃料の添加物(全エネルギーの約2%)がある点で従来の火花点火の燃料戦略とは異なる。前記予燃室燃料は、インジェクタ90によって予燃室50内に注入された後、点火装置86によって点火される。前記予燃室の燃料注入は、火花放電前に、約50°になったときに終了する。このことは、濃厚かつ豊富な混合物が予燃室50内に含まれることができることを保証する。該予燃室では、活性ラジカルの形成によって燃焼プロセスが化学的に促進されることが分かった。
An ignition sequence using the
この現象の正味の効果は、いわゆる「乱流噴流点火」の状況を作り出すことである。乱流噴流点火は、複数の分散された点火位置を生じる点火システム10によって、極めて速い燃焼速度を可能にする。該点火位置は、迅速かつ燃料のバラツキが最小になるように主供給燃料を迅速に消費する。比較的小さなサイズのオリフィス82のために、燃えている混合物は、オリフィス82を通って素早く移動する。前記オリフィスは、上述のように、前記炎を消火するが、一部が燃焼された予燃室生成物を用いて、燃焼室22に火種を撒く。予燃室燃焼生成物は、予燃室50からある程度離れた距離で、化学的、熱的および乱流効果によって、主室燃料を巻き込み点火させる。これにより、分散型の点火システムが生み出される。
The net effect of this phenomenon is to create a so-called “turbulent jet ignition” situation. Turbulent jet ignition allows a very fast burning rate with the
上述のように、オリフィス82の直径および前記予燃室の容積に対するこれらの直径の比によって、乱流噴流が作り出され、該乱流噴流は、前記主供給燃料内に深く入り込む。この目的を達成するため、および燃焼室壁との衝突を避ける手段として、好適な一実施形態では、前記予燃室容積は比較的小さい。従来の火花点火燃焼に比べて、速い燃焼速度によって、希薄化レベル(希薄燃焼および/または排ガス再循環(EGR))を向上させることができる。希薄度の高い画分によって、本発明の点火システム10は、最適化されていないエンジンでの燃料消費について、従来のストイキ火花点火燃焼と比べて18%の改善を記録できる。しかしながら、最適化された燃焼室を有するエンジンでの燃料消費について30%程度の改善を実現するであろうということが予想される。前記効率の改善は、燃焼改善の組み合わせ、つまり低燃焼温度による弱熱分解をほぼ除外すること、および低減されたエンジンスロットルによるものである。さらに、低温燃焼では、HCおよびCO排気物を制御可能なレベルとしつつ、エンジンを出る(NOX)排気物が一桁ppmになるという結果になった。
As described above, the diameter of the
図8A〜8Hは、本発明の点火システムの単一シリンダの性能に由来する関連データを示し、これらの図は、本発明と標準的な火花点火エンジンとの間での効率および排気物の比較を含み、該比較は、一定の速度/負荷での世界共通のマッピングポイントである、1.500rev/min、3.3barでの正味図示平均有効圧(indicated net mean effective pressure(IMEPn))の条件によるものである。火花点火試験は、ポート燃料注入されたガソリンを用いて実行される一方で、本発明の点火システムは、約98%のガソリンと2%のプロパンとの混合物を用いた。前記ガソリンは、主室内にポート燃料注入されたのに対し、前記プロパンは、前記予燃室内に直噴注入された。しかしながら、当業者であれば、あらゆる炭素系燃料が前記予燃室燃料用に使用され得ることを理解するであろう。 8A-8H show relevant data derived from the performance of a single cylinder of the ignition system of the present invention, which is a comparison of efficiency and emissions between the present invention and a standard spark ignition engine. The comparison includes the conditions for the net indicated mean effective pressure (IMEPn) at 1.500 rev / min, 3.3 bar, which is a universal mapping point at a constant speed / load. Is due to. The spark ignition test was performed using port fueled gasoline, while the ignition system of the present invention used a mixture of about 98% gasoline and 2% propane. The gasoline was port fuel injected into the main chamber, while the propane was injected directly into the precombustion chamber. However, those skilled in the art will appreciate that any carbon-based fuel can be used for the pre-combustion chamber fuel.
さらに詳細には、図8Aは、濃厚および希薄条件の両方について、変動係数10%までの総図示平均有効圧(CoV IMEPg)限界における燃焼安定性の比較を示す。空気が過剰であると、本発明の点火システムは、排気ガスλを2.1にするまで操作できるのに対し、標準的な火花点火システムでは僅か1.4であることが明らかになる。 More specifically, FIG. 8A shows a comparison of combustion stability at the total indicated mean effective pressure (CoV IMEPg) limit of up to 10% coefficient of variation for both rich and lean conditions. Excessive air reveals that the ignition system of the present invention can operate up to an exhaust gas λ of 2.1, while that of a standard spark ignition system is only 1.4.
図8B、8C、および8Dは、高過剰の空気の速度に関連する低排気温度が、HCおよびCOの効率的な酸化に要求される低温限界近傍となり得ることを示す。排気ガスλが同等の場合、本発明の点火システムは、火花点火と比べて、平均して、20℃から40℃低い排気温度を生じる。これは、排気システムに対して多くの損失を最小にする改善された燃焼速度によるものである。加えて、他の低温燃焼システムと比べた場合、本発明の点火システムの別の主要な利益は、予燃室の火花放電を変更することによって、燃焼行程が制御され得ることである。これにより、排気ガスおよび燃費について、比較的簡単な燃焼制御法が提供される。加えて、これらの図は、本発明の点火システムを使用するエンジンのデスロットリング(同一負荷を維持する間に増加されるマニホールド圧)は、ストイキ火花点火と比べると、同一負荷の場合、マニホールド絶対圧(MAP)よりも高い約30kPaで作用することを示す。これにより、ポンピング損失を約0.3バールポンピング平均有効圧力(PMEP)まで低減できる。 FIGS. 8B, 8C, and 8D show that the low exhaust temperature associated with high excess air velocity can be near the low temperature limit required for efficient HC and CO oxidation. When the exhaust gas λ is equivalent, the ignition system of the present invention produces an exhaust temperature that is, on average, 20-40 ° C. lower than spark ignition. This is due to the improved burning rate that minimizes many losses to the exhaust system. In addition, another major benefit of the ignition system of the present invention when compared to other low temperature combustion systems is that the combustion stroke can be controlled by changing the spark discharge of the pre-combustion chamber. This provides a relatively simple combustion control method for exhaust gas and fuel consumption. In addition, these figures show that the engine dethrottling (manifold pressure increased while maintaining the same load) using the ignition system of the present invention, when compared to stoichiometric spark ignition, the manifold absolute It is shown to work at about 30 kPa higher than pressure (MAP). This can reduce the pumping loss to about 0.3 bar pumping mean effective pressure (PMEP).
図8Eは、単一のシリンダ試験設備で用いられる場合、本発明の点火システムが、ストイキ火花点火燃焼と比べて18%の燃費の改善を生じさせることができることを明らかにする。上述の通り、効率の改善は、燃焼改善の組み合わせ、つまり低燃焼温度による弱熱分解をほぼ除外すること、および低減されたエンジンのスロットリングによる。 FIG. 8E demonstrates that when used in a single cylinder test facility, the ignition system of the present invention can produce an 18% improvement in fuel consumption compared to stoichiometric spark ignition combustion. As discussed above, the improvement in efficiency is due to a combination of improved combustion, i.e., nearly eliminating weak pyrolysis due to low combustion temperatures and reduced engine throttling.
図8Fおよび8Gは、本発明の点火システムを利用するエンジンと、標準的な火花点火エンジンとの間で、エンジンを出る排気ガスの比較を示す。上述の通り、本発明の点火システムでは、前記内燃機関は、主供給燃料/空気中において、高レベルの過剰空気を用いてもよい。高レベルの過剰空気は、エンジンから出るNOX排気物を極めて少量にすることを容易にする。これは、ピークのより低い燃焼温度によるものである。図8Fおよび8Gは、本発明の噴流点火システムが内燃機関で使用される場合、1.8より大きい排気ガスλの値について、NOX排気物がほぼゼロのレベル(10ppm未満)まで低減されることを示す。本発明の点火システムに関連するこの利点は、固有の排気ガス制御機会および方法を提供し、これらは、火花点火の希薄混合燃焼を適用する場合には実現できない。エンジンから出るNOX排気物は、λ1.8が大きいときに極めて低いものであって、排気物制御処理の後に、希薄なNOXに対する要求を排除する可能性を提供する。むしろ、本発明の点火システムでは、エンジンを出る排気物は、公知の三元触媒を用いて制御され得る。 8F and 8G show a comparison of exhaust gases exiting the engine between an engine that utilizes the ignition system of the present invention and a standard spark ignition engine. As described above, in the ignition system of the present invention, the internal combustion engine may use a high level of excess air in the main fuel / air. High levels of excess air, to facilitate the extremely small amount of NO X emissions exiting the engine. This is due to the lower peak combustion temperature. FIGS. 8F and 8G show that when the jet ignition system of the present invention is used in an internal combustion engine, NO x emissions are reduced to near zero levels (less than 10 ppm) for exhaust gas λ values greater than 1.8. It shows that. This advantage associated with the ignition system of the present invention provides unique exhaust gas control opportunities and methods that are not feasible when applying spark ignition lean burn. NO X emissions emanating from the engine, there is very low when λ1.8 is large, after the exhaust control process, offers the possibility of eliminating the requirement for dilute NO X. Rather, in the ignition system of the present invention, the exhaust exiting the engine can be controlled using a known three-way catalyst.
図8Gおよび8Hは、前記2個のシステムの間において、HCおよびCO排気物についての比較を提供する。これら2個の図は、各燃焼システムについて、濃厚および希薄な希釈限界に達するように示される顕著な増加があることを明らかにする。 8G and 8H provide a comparison for HC and CO emissions between the two systems. These two figures reveal that for each combustion system there is a significant increase shown to reach rich and lean dilution limits.
図9A乃至図9Eは、1,500rev/min、3.3バールでの正味図示平均有効圧(IMPEn)で燃焼安定性の限界まで希釈レベルを増加した場合での、火花点火と本発明の点火システムを用いる内燃機関との両方について燃焼の比較を示す。図9Aは、燃焼角位置が10%、50%、および90%での火花放電を表す。前記燃焼角は、燃焼が10〜90%の質量割合(前記供給燃料)に達せられるクランク角を示す。図9B及び9D並びに図9C及び9Eは、0〜10%および10〜90%の燃焼質量割合の期間をそれぞれ明らかにする。 9A through 9E show spark ignition and ignition of the present invention when the dilution level is increased to the limit of combustion stability at 1,500 rev / min, net illustrated mean effective pressure (IMPEn) at 3.3 bar. A combustion comparison is shown for both internal combustion engines using the system. FIG. 9A represents spark discharges at 10%, 50%, and 90% combustion angle positions. The combustion angle indicates a crank angle at which combustion can reach a mass ratio of 10 to 90% (the supplied fuel). 9B and 9D and FIGS. 9C and 9E reveal periods of 0 to 10% and 10 to 90% combustion mass fraction, respectively.
図9Aに示される燃焼角に関連するデータは、本発明の点火システムが希薄領域においてかなり高レベルの希釈を許容できることを示す。分散型の点火は、本発明の点火システムに起因する乱流噴流が原因となって生じ、顕著な燃焼速度の増加を提供し、火炎発生をより速くし、それにより火炎の伝播を速くする。基本的に燃焼プロセスが異なるにも関わらず、火花点火と本発明の点火システムの両方に最適な50%の燃焼角は、過剰の空気の希釈を変化させる6〜8°のATDC CA範囲で生じることも注目される。さらに、本発明の点火システムでは、希釈範囲の全てに及ぶ火花点火の場合よりも、火炎発生が速く生じる。 The data related to the combustion angle shown in FIG. 9A shows that the ignition system of the present invention can tolerate fairly high levels of dilution in lean regions. Distributed ignition occurs due to the turbulent jet resulting from the ignition system of the present invention, providing a significant increase in combustion rate, resulting in faster flame generation and thereby faster flame propagation. Despite fundamentally different combustion processes, the optimal 50% combustion angle for both spark ignition and the ignition system of the present invention occurs in the 6-8 ° ATDC CA range that varies the dilution of excess air. It is also noted. Furthermore, in the ignition system of the present invention, flame generation occurs faster than in the case of spark ignition over the entire dilution range.
図9Bおよび9Dに最適に示されるように、過剰空気の乱流噴流点火の0〜10%の燃焼質量割合によって、火炎発生が、λの増加とともに顕著に変化せず、20〜25°CA近傍で常時変動する結果となることを明らかにする。このことは、予燃室内での略一定の混合組成物によるものであり、これは、噴流と燃焼噴流中に存在する高レベルの化学的活性種とによって、予燃室内に提供される分散型の点火位置と関連する。火花点火を利用する内燃機関の場合、火花放電後に、火炎核を発生させ安定化するのに時間がかかるが、これは、希釈された混合物に関連する核成長による。 As best shown in FIGS. 9B and 9D, flame mass does not change significantly with increasing λ due to 0-10% combustion mass fraction of turbulent jet ignition of excess air, near 20-25 ° CA It is clarified that the result is constantly changing. This is due to the nearly constant mixture composition in the precombustion chamber, which is a distributed type provided in the precombustion chamber by the jet and the high level of chemically active species present in the combustion jet. Related to the ignition position. For internal combustion engines that utilize spark ignition, after a spark discharge, it takes time to generate and stabilize the flame kernel, which is due to the nuclear growth associated with the diluted mixture.
図9Cおよび9Eに示される10〜90%の燃焼質量割合のデータは、混合物が炎を伝播できる能力を示している。これらの結果は、このような場合、炎の伝播は希薄さが増すにつれて遅くなることを明らかにするが、これは、濃厚または希薄な混合物と低燃焼温度とに関連して炎の速度が低減されることによる。0〜10%の燃焼期間と同様に、10〜90%の燃焼期間は、火花点火の場合よりも本発明の点火システムの場合の方が短くなる。燃焼プロセスの炎伝播部分の間、噴流の効果はそれほど顕著ではないが、主室内で一旦ガソリンが点火されると、10〜90%の燃焼データは、主燃料による前方への複数の炎の伝播をより明らかにする。しかしながら、火花点火よりも本発明の点火システムで生じる燃焼時間の短さによって明らかになるように、予燃室燃料は、主燃料の燃焼の間、役割を果たし続ける。これは、予燃室燃料と伝播火炎中で維持される燃焼噴流中で生じる高レベルの活性ラジカルとによって提供される燃焼が高められたことによるものである。 The 10-90% burn-up mass data shown in FIGS. 9C and 9E indicate the ability of the mixture to propagate the flame. These results reveal that in such cases, flame propagation slows down as the leanness increases, which reduces the flame velocity in relation to rich or lean mixtures and low combustion temperatures. By being done. Similar to the 0-10% combustion period, the 10-90% combustion period is shorter for the ignition system of the present invention than for spark ignition. During the flame propagation part of the combustion process, the effect of the jet is not as pronounced, but once the gasoline is ignited in the main chamber, 10-90% combustion data indicates the propagation of multiple flames forward with the main fuel. To clarify more. However, the precombustion chamber fuel continues to play a role during the combustion of the main fuel, as evidenced by the short combustion time that occurs in the ignition system of the present invention rather than spark ignition. This is due to the enhanced combustion provided by the precombustion chamber fuel and the high levels of active radicals generated in the combustion jet maintained in the propagating flame.
このため、本発明の点火システムは、これらの結果を容易にする多くの特徴を用いることによって顕著に改善された操作パラメータを実現する。例えば、空隙容積が2%未満の比較的小さい予燃室の容積は、空隙容積、HC排気物、熱損失、比表面積効果、および予燃室残留ガスを最小にする。比較的小さいオリフィス82(0.7mm〜2.0mmの大きさの直径を有する)は、予燃室50と主燃焼室22との間に流体連通を提供し、炎を急冷でき、燃焼室22内に炎を導入できる。燃焼後の予燃室生成物(化学的、熱的、および乱流効果)は、複数の場所で主室での燃焼を開始する。加えて、分離型の燃料方式の予燃室50は、電気的に制御される埋め込み型の直噴インジェクタ86を使用していて、燃焼室22が過剰の空気および/またはEGRで十分に希釈される間、濃厚な混合物が予燃室50内に含まれることを可能にする。予燃室50の基部76でのインジェクタ86の位置は、予燃室残留物を除去し、空隙容積を最小にすることを補助する。前記内燃機関が、電気的に制御されたポート燃料インジェクション、例えば、直噴インジェクションを使用する分離型の燃焼方式の燃焼室22を使用する場合、本発明は、均質化または成層化された燃焼室混合物を可能にし、その結果、HC/NOX排気物の制御を可能にする。さらに、予燃室での燃料を開始する点火プラグは、電気的に制御される点火を伴う埋め込み型の点火装置86を用いていて、単一の燃焼行程の制御を可能にする。さらに、本発明の点火システム10は、主および予燃室の燃焼空隙の両方に対して、ガソリン、プロパン、または天然ガスなどの市販の燃料を使用する。
Thus, the ignition system of the present invention achieves significantly improved operating parameters by using a number of features that facilitate these results. For example, a relatively small precombustion chamber volume with a void volume of less than 2% minimizes void volume, HC exhaust, heat loss, specific surface area effects, and precombustion chamber residual gas. A relatively small orifice 82 (having a diameter of 0.7 mm to 2.0 mm) provides fluid communication between the
このようにして、本発明の点火システムは、ワイドオープンスロットル(WOT)でピーク時の熱効率の高さ(45%を上回る)を可能にするとともに、高駆動サイクル(部分負荷)での燃費を向上でき、燃費の向上は、最適化されたエンジン内にある基準となる従来の火花点火システムを最大30%上回るまでに達することができる。これらのエンジン性能の向上は、燃焼の改善、熱損失の低減、低燃焼温度のために解離がほとんど生じないこと、および部分負荷でのエンジンスロットルの低減の組み合わせによる。さらに、従来の火花点火燃焼システムと比べると、本発明の点火システムは、エンジンから排気されるNOx排気物をほぼゼロにできる低温燃焼を容易にする一方で、先述の予燃室燃焼での、ピーク時の性能(BMEP:正味平均有効圧)の低下および制御不能な炭化水素(HC)および一酸化炭素(CO)排気物の障害を克服する。そのため、本発明の点火システムは、現在および将来の排出ガス規制を満たすように、従来の乗用車(酸化および三元触媒)で見られる既存の排気物制御システムを備えるエンジン内で利用され得る。最後に、本発明の点火システムは、基本となるエンジンのハードウェアの改変を要さずに、あらゆる火花点火エンジン(生産前および生産後)で機能できる「ボルト留め」固定も提供する。 In this way, the ignition system of the present invention enables high peak thermal efficiency (greater than 45%) with wide open throttle (WOT) and improved fuel efficiency in high drive cycles (partial load). Yes, fuel efficiency improvements can reach up to 30% over standard conventional spark ignition systems in an optimized engine. These improvements in engine performance are due to a combination of improved combustion, reduced heat loss, little dissociation due to low combustion temperatures, and reduced engine throttle at part load. Furthermore, compared with the conventional spark ignition combustion system, the ignition system of the present invention facilitates low temperature combustion that can substantially reduce NOx exhaust discharged from the engine, while the above-described precombustion chamber combustion is performed. Overcoming the decline in peak performance (BMEP: net mean effective pressure) and obstacles to uncontrollable hydrocarbon (HC) and carbon monoxide (CO) emissions. As such, the ignition system of the present invention can be utilized in engines with existing exhaust control systems found in conventional passenger cars (oxidation and three-way catalysts) to meet current and future emission regulations. Finally, the ignition system of the present invention also provides a “bolt” fixation that can function on any spark ignition engine (before and after production) without requiring modification of the underlying engine hardware.
本発明は、例示的な方法で記載された。使用された用語は、語の限定よりも、記載の語の本質を意図していることが理解されるべきである。上記教示を考慮すると、本発明の多くの改変および変形が可能である。したがって、本発明は、明記された以外で、実行される場合がある。 The invention has been described in an illustrative manner. It should be understood that the terminology used is intended to be the essence of the words described, rather than the word limitations. Many modifications and variations of the present invention are possible in light of the above teachings. Accordingly, the present invention may be practiced other than as specifically described.
Claims (4)
前記点火システムは、
前記内燃機関のシリンダヘッド内で区画され、予燃室を区画するハウジングと、
前記ハウジング内で支持され、前記予燃室に実質的に面するイグナイター部を有する点火装置と、
前記ハウジング内で支持され、前記予燃室に実質的に面するノズルを含むインジェクタと、を備え、
前記ハウジングは、前記シリンダヘッド内に含まれるポートであって、標準的な点火プラグを受けていたような実質的な大きさを有し、かつ前記標準的な点火プラグを受けていたような位置に実質的に配されるポートに受けられるように構成され、
前記予燃室は、基端部および前記予燃室の前記基端部から間隔を空けて配置される予燃室ノズルを区画し、前記予燃室ノズルは、複数個のオリフィスを含み、該オリフィスは、0.7mm〜2.0mmの範囲の直径を有し、互いに間隔を空けて配置されるとともに、前記予燃室と前記燃焼室との間を流体連通し、
前記予燃室は、所定の容積を区画し、前記予燃室の容積に対する前記オリフィスの直径の比は、0.048 1/cm2〜0.0671/cm2の範囲にあり、
前記点火装置の前記イグナイター部および前記インジェクタの前記ノズルは、前記インジェクタが、所定量の燃料を前記予燃室内に運搬し、前記イグナイター部が、前記予燃室内で前記燃料を点火し、これにより、前記点火された燃料は、前記予燃室の前記オリフィスを通って押し出されて消火されるが、該点火される燃料が、前記燃焼室を通って分散されて、前記燃焼室内にある主供給燃料を点火するように、前記予燃室の前記基端部に操作可能に支持される、
点火システム。 An ignition system for an internal combustion engine having at least one combustion chamber,
The ignition system includes:
A housing defined in a cylinder head of the internal combustion engine and defining a pre-combustion chamber;
An igniter having an igniter portion supported within the housing and substantially facing the pre-combustion chamber;
An injector supported within the housing and including a nozzle substantially facing the pre-combustion chamber;
The housing is a port included in the cylinder head, has a substantial size as if it received a standard spark plug, and a position where it received the standard spark plug Configured to be received by a port substantially disposed on
The pre-combustion chamber defines a base end portion and a pre-combustion chamber nozzle disposed at a distance from the base end portion of the pre-combustion chamber, and the pre-combustion chamber nozzle includes a plurality of orifices, The orifice has a diameter in the range of 0.7 mm to 2.0 mm, is spaced apart from one another, and is in fluid communication between the pre-combustion chamber and the combustion chamber;
The pre-combustion chamber defines a predetermined volume, and a ratio of a diameter of the orifice to a volume of the pre-combustion chamber is in a range of 0.048 1 / cm 2 to 0.067 1 / cm 2 ;
The igniter portion of the ignition device and the nozzle of the injector are configured so that the injector carries a predetermined amount of fuel into the precombustion chamber, and the igniter portion ignites the fuel in the precombustion chamber, thereby The ignited fuel is pushed through the orifice of the pre-combustion chamber and extinguished, but the ignited fuel is dispersed through the combustion chamber and is in the main supply in the combustion chamber Operatively supported at the base end of the pre-combustion chamber to ignite fuel,
Ignition system.
けた関係で、前記長手方向軸周りに配置される、
請求項1に記載の点火システム。 The pre-combustion chamber nozzle defines a longitudinal axis and the orifices are disposed about the longitudinal axis in spaced relation to each other;
The ignition system according to claim 1.
前記ピストン、シリンダおよびシリンダヘッドは、少なくとも1個の燃焼室を区画するように協同し、
前記シリンダヘッドは、主燃料空気が前記燃焼室内に流入する少なくとも1個の吸気ポートと、燃焼生成物が前記燃焼室から出る少なくとも1個の排気ポートと、を含み、
前記内燃機関は、点火システムをさらに含み、前記点火システムは、前記内燃機関の前記シリンダヘッド内に操作可能に支持されるハウジングを含み、前記ハウジングは、予燃室を区画し、
前記内燃機関は、前記ハウジング内で支持され、前記予燃室に実質的に面するイグナイター部を有する点火装置と、前記ハウジング内で支持され、前記予燃室に実質的に面するノズルを有するインジェクタと、前記ハウジングを受けるように前記シリンダヘッド内に含まれるポートであって、標準的な点火プラグを受けていたような実質的な大きさを有し、かつ前記標準的な点火プラグを受けていたような位置に実質的に配されるポートと、を備え、
前記予燃室は、基端部および前記予燃室の前記基端部から間隔を空けて配置される予燃室ノズルを区画し、前記予燃室ノズルは、複数個のオリフィスを含み、該オリフィスは、0.7mm〜2.0mmの範囲の直径を有し、互いに間隔を空けて配置されるとともに、前記予燃室と前記燃焼室との間を流体連通し、
前記予燃室は、所定の容積を区画し、前記予燃室の容積に対する前記オリフィスの直径の比は、0.048 1/cm2〜0.0671/cm2の範囲にあり、
前記点火装置の前記イグナイター部および前記インジェクタの前記ノズルは、前記インジェクタが、所定量の燃料を前記予燃室内に運搬し、前記イグナイター部が、前記予燃室内で前記燃料を点火し、これにより、前記点火された燃料は、前記予燃室の前記オリフィスを通って押し出されて消火されるが、該点火された燃料が、前記燃焼室を通って分散されて、前記燃焼室内にある主供給燃料を点火するように、前記予燃室の前記基端部に操作可能に支持される、
内燃機関。 An internal combustion engine comprising an engine block including at least one cylinder, a piston supported in said cylinder for repeated reciprocation, and a cylinder head;
The piston, cylinder and cylinder head cooperate to define at least one combustion chamber;
The cylinder head includes at least one intake port through which main fuel air flows into the combustion chamber, and at least one exhaust port through which combustion products exit the combustion chamber;
The internal combustion engine further includes an ignition system, the ignition system including a housing operably supported within the cylinder head of the internal combustion engine, the housing defining a pre-combustion chamber;
The internal combustion engine includes an ignition device that is supported in the housing and has an igniter portion that substantially faces the precombustion chamber, and a nozzle that is supported in the housing and substantially faces the precombustion chamber. An injector and a port included in the cylinder head for receiving the housing, having a substantial size as if receiving a standard spark plug and receiving the standard spark plug; A port that is substantially arranged at the position as it was,
The pre-combustion chamber defines a base end portion and a pre-combustion chamber nozzle disposed at a distance from the base end portion of the pre-combustion chamber, and the pre-combustion chamber nozzle includes a plurality of orifices, The orifice has a diameter in the range of 0.7 mm to 2.0 mm, is spaced apart from one another, and is in fluid communication between the pre-combustion chamber and the combustion chamber;
The pre-combustion chamber defines a predetermined volume, and a ratio of a diameter of the orifice to a volume of the pre-combustion chamber is in a range of 0.048 1 / cm 2 to 0.067 1 / cm 2 ;
The igniter portion of the ignition device and the nozzle of the injector are configured so that the injector carries a predetermined amount of fuel into the precombustion chamber, and the igniter portion ignites the fuel in the precombustion chamber, thereby The ignited fuel is pushed through the orifice of the pre-combustion chamber and extinguished, but the ignited fuel is dispersed through the combustion chamber and is in the main supply in the combustion chamber Operatively supported at the base end of the pre-combustion chamber to ignite fuel,
Internal combustion engine.
請求項3に記載の内燃機関。 The pre-combustion chamber nozzle defines a longitudinal axis and the orifices are disposed about the longitudinal axis in spaced relation to each other;
The internal combustion engine according to claim 3.
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